水与生态

1第七章水与生态2主要内容一、水与生态案例和研究前沿二、生态水文学三、生态需水量四、南非案例管理人工林耗水3一、水与生态案例和研究前沿陆地生态系统水生生态系统4一、水与生态案例和研究前沿11水生生态系统案例（1）河道内生态系统鱼类洄游（FISHMIGRATION）鱼类因生理要求、遗传和外界环境因素等影响，引起周期性的定向往返移动。大马哈鱼属鲑科鱼类，是鲑鱼的一种，是著名的冷水性溯河产卵洄游鱼类。它们出生在江河淡水中，却在太平洋的海水中长大。大马哈鱼的鱼子和幼苗只能在淡水中生存，它们一般把卵生在淡水系统的江河上游的沙砾区域。卵孵化出幼苗并生长一段时间后然后顺流而下进入咸水系统的海洋之中，在物质富饶的海洋中生长发育积蓄能量，经过4年左右的生长达到性成熟后，又会洄游淡水江河中产卵。大马哈鱼主要栖息在北半球的大洋中，以鄂霍次克海、白令海等海区最多。5鱼道或称为鱼梯，是为了帮助洄游性鱼类能在人工的水利环境中生存的设施。多数鱼道的设计是利用较平缓低矮的阶梯状水道鱼梯，使鱼类逆流而上，穿越如水坝等因为落差而造成的障碍。其中的流速必须快到能够吸引鱼溯溪，却又不能过快造成鱼的体力耗尽无法继续旅程。截至上世纪晚期，仅鱼道数量在北美就有近400座，日本有1400座，近年来世界上最高、最长的鱼道分别是美国的北汊坝（NORTHFORK）鱼道（60M高，2700M长）和帕尔顿鱼道（575M高,4800M长）6HTTP/ENWIKIPEDIAORG/WIKI/FISH_LADDER7美国西北华盛顿州艾尔瓦河为鲑鱼拆除大坝HTTP/EHP03NIEHSNIHGOV/EHPCE/P1229在短期来看，河水过度浑浊在未来3到10年内会影响该流域的居民和动物。浑浊度急剧增加可以杀死鱼类、降低产卵成功率。但从长期来看，拆除大坝的生态效益很显著。8中华鲟（学名ACIPENSERSINENSIS），属鲟形目、鲟科、鲟属的一种。中华鲟为白垩纪残留至今最为古老的现生鱼类之一。中华鲟是一种大型的溯河洄游性鱼类，是古老的珍稀鱼类，世界现存鱼类中最原始的种类之一。中华鲟是中国一级重点保护野生动物，也是活化石，有“水中大熊猫”之称。现今仅在我国长江流域尚有分布，其他江河中均已绝迹，具有很高的科研、药用和观赏价值。9夏秋两季，生活在长江口外浅海域的中华鲟回游到长江，历经3000多公里的溯流博击，才回到金沙江一带产卵繁殖。产后待幼鱼长大到15CM左右，又携带他们旅居外海。它们就这样世世代代在江河上游出生，在大海里生长，养成了身居海外不忘故乡的习惯。正是由于这种执着的回归、寻根的习性，所以人们称它为中华鲟。中华鲟的产卵期在10月中旬至11月上旬，在长江葛洲坝水利枢纽修建前，中华鲟的产卵场位于长江上游干流和金沙江的下段。上世纪70年代，中华鲟长江里的繁殖群体能达到1万余尾，葛洲坝截流的80年代，骤减到2176尾，2000年仅有363尾，2010年估算只剩57尾。10在葛洲坝工程建设之前，中外专家提出了两种挽救中华鲟的建议，一种是工程救鱼，即在葛洲坝工程中给中华鲟修建一条鱼道、鱼梯或升鱼机等通道，使它能够平安地到达产卵场所；另一种为生物救鱼，认为中华鲟的个体较大，修建的通道未必能满足它的要求，另外在工程技术上也没有绝对的把握，最好能在坝下建立蓄养池，仿照中华鲟产卵场所的环境条件进行人工繁殖，使用人工方法催产孵化，使它们能够增殖，然后放回长江中，同时把一部分性腺尚未成熟的个体网捕后运送到上游，使其越过大闸，继续上溯。结果后一条建议被采纳，并于1982年在葛洲坝建立了中华鲟人工繁殖研究所。经过几年的努力，通过反复试验，解决了捕捞、运输、暂养、催产、受精、孵化、培育、放流等一系列生产工艺上的技术难题，已向长江水域放流了数百万条幼体。11黄河断流黄河自然断流始于1972年，主要发生在下游的山东河段。在19721996年的25年间，有19年出现河干断流，平均4年3次断流。1987年后几乎连年出现断流，其断流时间不断提前，断流范围不断扩大，断流频次、历时不断增加。1997年，断流达226天，为历时最长的断流。11水生生态系统案例（1）河道内生态系统12黄河断流的原因来水偏少用水浪费及缺乏统一管理流域用水量急剧增加现在，黄河不断流，小浪底工程功不可没1311水生生态系统案例（2）地下水和海水维持的生态系统HTTP/WWWTAMUGEDU/CAVEBIOLOGY/14ANCHIALINE,PRONOUNCED“ANKEYAHLIN“,FROMGREEK,“NEARTHESEA“PURPOSETODOCUMENTTHEDIVERSITY,SIGNIFICANCEANDDISTRIBUTIONOFANCHIALINECAVESANDCAVEANIMALS15墨西哥尤卡坦半岛（YUCATAN）16171819ANCHIALINEFROMGREEKMEANING“NEARTHESEA“REFERSTOCOASTALCAVESFORMEDINLIMESTONEORVOLCANICROCKTHATAREFLOODEDWITHSEAWATERTHEYINCLUDETHELONGESTSUBMERGEDCAVESONEARTHTHESECAVESAREINHABITEDBYADIVERSEARRAYOFPREVIOUSLYUNKNOWNSPECIESFROMANUMBEROFNEWHIGHERTAXAWHILESOMEAREPRIMITIVE“LIVINGFOSSILS“,OTHERSARECLOSELYRELATEDTODEEPSEASPECIESTHESEHIGHLYIRREGULARDISTRIBUTIONSSUGGESTANORIGINMANYMILLIONSOFYEARSAGOWHENTHEEARTHSLANDMASSESWEREINTERCONNECTEDSINCESUCHANCHIALINECAVEANIMALSAREFREQUENTLYLIMITEDTOASINGLECAVEORCAVESYSTEM,POLLUTIONORDESTRUCTIONOFTHESECAVESCANRESULTINTHEEXTINCTIONOFENTIRESPECIES20美国，德克萨斯州TEXAS,USBRUSHCONTROLPROGRAMWATERSUPPLYENHANCEMENTPROGRAMHTTP/WWWTSSWCBTEXASGOV/FILES/DOCS/BRUSH/BROCHURE_NORTH_CONCHO_BRUSH_PROGRAMPDF人类HUMAN水WATER植物VEGETATION12陆生生态系统案例（1）21中国塔里木盆地塔里木下游生态调水工程XU,H,MYE,YSONG,ANDYCHEN2007,THENATURALVEGETATIONRESPONSESTOTHEGROUNDWATERCHANGERESULTINGFROMECOLOGICALWATERCONVEYANCESTOTHELOWERTARIMRIVER,ENVIRONMONITASSESS,13113,3748HTTP/WWWMWRGOVCN/ZTBD/TLMH/人类HUMAN水WATER植物VEGETATION12陆生生态系统案例（2）22二、生态水文学生态水文学是生态学和水文学的交叉学科，主要研究地球上水和生态系统相互作用关系。ECOLOGY,HYDROLOGYECOHYDROLOGY“ECOHYDROLOGYMAYBEDEFINEDASTHESCIENCEWHICHSEEKSTODESCRIBETHEHYDROLOGICMECHANISMSTHATUNDERLIEECOLOGICPATTERNSANDPROCESSES”IRODRIGUEZITURBE2000RODRIGUEZITURBE,I2000,ECOHYDROLOGYAHYDROLOGICPERSPECTIVEOFCLIMATESOILVEGETATIONDYNAMIES,WATERRESOURRES,361,3923二、生态水文学“ECOHYDROLOGY”1HOWHYDROLOGICALPROCESSESINFLUENCETHEDISTRIBUTION,STRUCTURE,FUNCTION,ANDDYNAMICSOFBIOLOGICALCOMMUNITIESAND2HOWFEEDBACKSFROMBIOLOGICALCOMMUNITIESAFFECTTHEWATERCYCLEBDNEWMANETAL2005NEWMAN,BD,BPWILCOX,SRARCHER,DDBRESHEARS,CNDAHM,CJDUFFY,NGMCDOWELL,FMPHILLIPS,BRSCANLON,ANDERVIVONI2006,ECOHYDROLOGYOFWATERLIMITEDENVIRONMENTSASCIENTIFICVISION,WATERRESOURRES,42624生态系统和水循环的关系，不是单一的、孤立的，而是相互联系、相互反馈的。因此，我们要用系统的思想来看待和分析与生态水文相关的问题。25三、生态需水量需水量农业需水工业需水生活需水需水量农业需水工业需水生活需水生态环境需水2631国外生态需水量研究的发展历程生态可接受流量等，河流生态系统受到破坏，水环境水生态研究指标河道枯水量，研究动机航运问题，研究目的满足航运功能河道最小流量，河流污染问题，满足航运排水纳污与此同时，陆地生态系统需水量受到关注2732国内生态需水量研究的发展历程同时，针对高含沙量的河流（如黄河），提出满足水沙平衡的生态需水量20世纪8090年代，河流断流、水污染严重国内专家提出要考虑生态环境用水针对干旱半干旱地区，提出了一系列河流、湿地、湖泊、植被的生态需水量不仅仅针对缺水地区，湿润地区也需要考虑生态需水量2833生态需水量的计算生态需水量陆地生态系统生态需水（森林、草原等）水生生态系统生态需水（河流、湿地、湖泊等）也可以根据具体的生态系统来分，分为河流生态需水、湿地生态需水、森林生态需水、草原生态需水、农田生态需水、入海口生态需水等。29（1）河流生态需水量计算方法方法描述典型方法优点缺点水文学方法以历史流量为基础，根据简单水文指标对设定河流流量，直接获取历史流量中年天然径流量的百分数作为河流生态需水量的推荐值TENNANT法、TEXAS法、7Q10、RVA法、NGPRP法和基本流量法等现场不需要测定数据，具有简单快速的特点未考虑流量的丰、枯水年变化和季节变化以及河段形状的变化水力学方法根据河道水力参数（实测或曼宁公式计算）如宽度、深度、流速和湿周等确定河流所需流量湿周法、R2CROSS法、CASIMIR法等测量简单，不需要详细的物种生境关系，数据容易获得体现不出季节变化因素，不适用确定季节性河流流量栖息地法根据指示物种所需的水力条件确定河流流量，为水生生物提供适宜的物理生境，定量化并基于生物原则的物理实验模型的方法IFIM法、PHABSIM法、水力评价法、BASQUE法等在水力学法的基础上考虑了水量、流速、水质和水生物种等影响因素所需的生物资料难以获取综合法从系统整体出发，根据专家意见综合研究流量、泥沙运输、河床形状与河岸带群落的关系，使推荐的河道流量同时满足生物保护、栖息地维持、泥沙沉积、污染控制和景观维护等功能BBM、整体评价法综合考虑了专家小组意见和生态整体功能，强调河流是一个生态系统整体必须有实测天然日流量系列、专家小组意见以及公众参与等，不易被应用。张丽等，流域生态需水的理论及计算研究进展，农业工程学报，2008，24730731230（1）河流生态需水量举例7Q10，水文学方法采用90保证率最枯连续7天的平均水量作为设计值。最小月平均流量法参考7Q10法,结合我国的具体情况,采用90保证率最小连续7D的平均水量作为河流最小流量设计值,该标准对于我国要求较高。因而对上述方法进行了修改。在制定地方水污染物排放标准的技术原则和方法GB383883中规定一般河流采用近十年最小月平均流量或90保证率最小月平均流量。31（1）河流生态需水量举例湿周法，水力学方法基于以下假设即保护好临界区域的水生生物栖息地的湿周,也将对非临界区域的栖息地提供足够的保护。利用湿周指水面以下河床横断面的线性长度作为栖息地的质量指标来估算河道内流量值。该方法需要现场搜集河道的几何尺寸和流量数据，需要确定湿周与流量之间的关系，通过得到湿周流量关系曲线，来确定所需生态流量。32（1）河流生态需水量举例IFIM法，栖息地法（INSTREAMFLOWINCREMENTALMETHODOLOGY）传统的IFIM法将其重点放在一些河流生物物种的保护。IFIM根据现场数据如水深、河流基质类型、流速等,采用PHABSIMPHYSICALHABITATSIMULATION模型模拟流速变化和栖息地类型的关系,通过水力学数据和生物学信息的结合,决定适合于一定流量的主要的水生生物及栖息地。33（2）植被生态需水量直接计算法是以某一区域某一类型植被的面积乘以其生态需水定额,计算得到生态需水总量。AI植物类型I的面积RI植被类型I的生态需水定额。34（2）植被生态需水量对不同植被类型生态需水定额的确定主要有两种方法一是根据前人实际测定的不同植物类型蒸散量,以及灌溉用水量,并结合不同地区的植被系数来确定不同植物种类的生态需水定额另一种方法就是根据植被生态系统的主要耗水支出,通过理论方法计算。理论计算方法是根据植被生态系统的主要水分支出项蒸散及其影响因子,根据各地气候条件、土壤因子的差异,同时考虑植物种类的差异,来计算不同区域植被的生态需水定额。35（3）湿地生态需水量湿地生态需水中的消耗水量一部分可依靠天然降水补充，短缺部分需要利用径流资源进行补充，以保证湿地生态系统的健康状态。关于湿地生态需水量的计算应用较多的是水量平衡方法。崔保山等提出湿地生态系统生态需水量包括湿地植被需水量、湿地土壤需水量和湿地野生生物栖息地需水量。36四、南非案例管理人工林耗水南非从1875年